KIEAE Journal

알루미늄 프레임의 유리 커튼월은 하이테크한 이미지를 강조하는 고층건물의 외부 마감으로 인기있는 시스템이다. 유리의 물성이 부여하는 미적 장점과 알루미늄이 주는 하이테크한 이미지는 많은 건축가들을 매료시켜왔다. 하지만 그 인기와는 별개로 알루미늄 커튼월은 열적으로 취약하여 거주자의 쾌적성을 저해할 수 있는 재료이기도 하다. 그 단적인 예로 한국의 한 청사에 적용된 알루미늄 커튼월이 만들어낸 거주환경이 설계 하자로까지 간주되어 사용자의 소송을 야기한 적이 있었다[1]. 창은 그 구성재인 유리, 프레임, 블라인드 등의 물리 화학적 조건에 따라 외피로서의 성능이 달라진다[2]. 이중외피시스템은 이 조건들을 적절히 이용하여 기존 커튼월 시스템의 단점을 어느 정도 극복할 수 있는 방안으로 제시되었다. 예를 들면 겨울철에는 Thermal barrier를 형성하여 난방부하 절감을 유도하고 여름철에는 중간 블라인드로 효율적 일사차단을 유도할 수 있다. 또한, 중공층의 더운 공기를 외부로 배열하여 냉방부하 절감을 가능하게 한다[3]. 이처럼 이중외피는 에너지를 절감할 수 있는 창 및 블라인드의 개폐 조건이 계절별로 다르다. 이를 자동으로 운전해주는 프로그램에 의한 자동제어가 에너지절감에는 가장 효과적이라고 할 수 있지만 비용 등 여러 현실적인 문제로 모든 커튼월 건물에 자동제어를 채택하기는 어렵다. 결국 거주자가 손쉽게 내외부 창의 개폐를 조정할 수 있는 이중외피 시스템이 필요하고, 그러기 위해서는 그 두께가 슬림해야 한다. 하지만 현재까지 건물에 적용된 이중외피의 경우는 대부분 외창과 내창의 거리가 멀어 사용자가 외창의 개폐를 조절하는 것이 매우 번거로운 실정이다. 즉, 슬림형 이중외피 창호시스템에 대한 연구가 필요하다.

더하여 국내의 경우, 신축건물에 적용될 창호 관련 기준이 점점 강화되고 있다. 예를 들어, 창호에너지효율등급제의 시행, 냉방에너지 절감을 위한 일사차단기준의 마련[4], 모든 공공건축물 에너지효율 1++ 등급의 의무시행[5] 등 건물의 냉난방에너지 저감을 위한 기준이 지속적으로 강화되고 있다. 즉, 신축건물에 슬림형 이중외피 창호시스템이 적용되기 위해서는 신축관련 법규에 적용가능한 정량적 성능평가도 필요하다.

창세트의 정량적 성능평가에 관한 연구는 시뮬레이션을 통한 열관류율 해석부터[6] 에너지절감효과분석[7,8]까지 다양하게 존재한다. 하지만, 이중외피창호에 대한 성능평가는 중공층 배열이나 블라인드, 창호의 조절에 따른 에너지 성능평가 혹은 최적제어에 치우쳐있는 편이고, 일반적 두께의 이중외피 모델로 그 열성능을 시뮬레이션 한 경우가 많다[9,10].

본 연구에서 분석하고자 하는 270mm 두께의 슬림형 이중외피 창호시스템의 경우 내측의 미서기 창 및 실외 측의 프로젝트 창으로 구성되어 있으며 실내와 실외측 창의 사이공간에 블라인드가 설치되어 있다. 이 시스템이 실제로 국내 신축건물에 적용될 수 있기 위해서는 열관류율이나 태양열취득계수(Solar Heat Gain Coefficient (SHGC))등의 정량적 성능 확인이 필요하다.

이에 본 연구에서는 슬림형 이중외피 창호시스템의 정량적 성능 평가를 위해 시뮬레이션 평가 방식을 이용하여 국내 주거 및 비주거용 커튼월 건물에의 적용가능성을 분석하고자하였다.

건축물에 적용된 창호의 정량적 에너지 성능은 일반적으로 열관류율과 SHGC에 의해 분석된다. 열관류율의 경우 실내외 온도차에 의한 열손실을 반영한 개념으로 난방에너지 저감효과를 분석할 때 주로 사용되는 개념이다. 반면, SHGC의 경우 일사열 취득정도를 수치화한 값으로 냉방에너지 저감효과를 분석할 때 유용한 개념이라고 할 수 있다[8]. 이에, 본 슬림형 이중외피 창호시스템을 대상으로 이 두가지 지표를 다양한 조건에서 산출하는 것을 연구의 범위로 설정하였다.

분석 대상 창호는 실내 측의 미서기 창 및 실외 측의 프로젝트 창으로 구성되어 있으며 실내와 실외측 창의 사이공간에 블라인드 및 손쉬운 중공층 환기를 위한 벤트가 외부 고정창에 설치되어 있다. 국내에서 신축건물에 적용되는 ‘건축물의 에너지절약설계기준[4]’ 의 열관류율 기준값을 만족시키기 위해 내외부 창 모두 복층유리를 적용하였다. 이 내외부 복층유리창의 로이코팅 여부를 다르게 구성하여 4가지 조합을 만들고, 중간 블라인드의 개방정도를 4가지로 조정하여 도합 16가지 조건의 열관류율 및 SHGC를 분석하였다. 추가로 벤트가 없는 모델도 시뮬레이션하여 총 20가지 케이스의 정량적 성능평가를 시행하였다.

전열해석은 NFRC(National Fenestration Rating Council Incorporated)의 시뮬레이션 기반 창호 성능 평가 도구인 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 WINDOW 6.3과 THERM 6.3을 이용하였다 [12]. 이 두 프로그램은 ISO 15099[2]에 기반한 창호의 열성능 분석 도구로서 THERM은 창호 프레임의 단면에 대한 전열해석을 수행하는 프로그램이다. 이를 이용하여 Fig. 1과 같이 프레임 단면의 열관류율 및 프레임과 유리의 연결부위인 Edge부에 대한 열관류율을 산출하였다. 우선 WINDOW 6.3은 복층유리의 구조를 반영할 수 있는 창호 시스템 분석도구로서 열관류율, 태양열취득계수, 가시광선 투과율 등 복층유리의 특성을 산출하여 THERM 6.3의 입력데이터를 생성한다. 또한 THERM 6.3에서 산출한 프레임 각 부분의 데이터를 조합하여 하나의 창호에 대한 열적 특성 및 광학적 특성을 도출하여 창호의 성능을 평가할 수 있다.

Fig 1. 
Frame areas for typical fenestration product [16]

프레임을 포함한 이중외피 창호 전체의 SHGC를 계산하기 위해 우선 Center of glazing의 SHGC를 WINDOW 6.3를 통해 산출한다. 이때 열관류율과 동일하게 프레임과 유리의 연결부위인 Edge부에 대한 SHGC를 산출한다, NFRC가 제안하는 계산방식 따라 Edge of glazing의 SHGC는 Center of glazing과 같은 값으로 계산하였다[14]. 프레임과 divider의 SHGC 역시 ISO 15099와 NFRC-200의 기준으로 계산하였으며 그 식(1)은 아래와 같다.

α : Frame or divider absorptance
Af : Sum of the projected dimensions of the opaque portion
Asurf : Sum of the wetted areas of the opaque portion
Uf : Area-weighted average winter nighttime U-factor of the opaque portion
h_out : 30W/㎡⋅K

α는 NFRC-200의 Glazed wall system 기준에 따라 0.5, Uf 는 부위별로 THERM을 통해 계산되었고, Asurf는 실외측의 Projected frame dimension으로 도면을 통해 계산되었다.

그 다음 단계로 SHGC0, SHGC1을 산출하여 아래의 식(2)에 따라 계산하면 SHGC가 구해진다.

SHGC₀ : The total fenestration product SHGC
for the center of glazing SHGC of 0.0
SHGC₁ : The total fenestration product SHGC
for the center of glazing SHGC of 1.0
SHGC_C : Center of glazing SHGC
Set to zero for SHGC0 and one for SHGC1

슬림형 이중외피 창호시스템는 실내창, 중공층, 실외창으로 구성된 이중외피 시스템창이며 열교를 차단하기 위한 장치로 3중 단열구조의 프로파일을 사용하였는데 그 부분별 치수는 Fig. 2 및 Table 1과 같다.

Fig 2. 
Drawing of Double Skin Window with inner Shading System

또한, Fig. 3에서 볼 수 있듯이 외측창 프레임에는 폴리아미드를 적용한 점단열 구조를 적용하고(1단계), 중간 연결부에 PS(폴리에스틸렌) 단열재를 적용한 단열 연결 구조를 적용하였으며(2단계),실내 쪽 노출면은 PS 단열재로 감싼 면 단열구조로 구성되어있다(3단계).

Fig 3. 
Section View of Double-Skin System Window’s Profile

중공층의 블라인드는 태양광의 직사광선을 블라인드 표면에서 반사시키는 역할을 한다. 이는 블라인드 표면 및 창호 내부 태양광 노출면에서 흡수되는 태양열이 실내로 직접 유입되는 것을 효과적으로 차단한다.

전면창과 후면창을 구성하고 있는 유리의 경우 모두 복층 유리를 적용하였으며 두창의 복층유리는 5mm 동일한 두께의 유리 2매 내부에 공기층을 충진한 것으로 내부 공기층 두께의 경우 외부창에 설치된 유리창은 14mm, 내부창에 설치된 유리창은 12mm를 적용하였다.

시뮬레이션 모델들은 유리의 로이코팅 유무 및 위치, 블라인드의 슬랫각도, 벤트의 유무 이 세가지 조건을 조합하여 총 20가지로 구성되었다.

Low-E 코팅의 단열 및 일사차단에 효과는 기존의 문헌에서도 연구되었지만[15] 창호의 경제성 및 가시광선 투과율을 고려하여 코팅면의 개수를 최소한으로 조정할 필요가 있다. 특히 이중외피의 경우 전면창과 후면창 두개의 창호가 조합되어 있으므로 동일한 개수의 Low-E 코팅 유리의 사용에 있어서도 코팅면의 위치에 따라 성능이 변화 할 수 있다.

이에 본 연구의 시뮬레이션은 내외부창에 적용된 로이코팅의 유무 및 위치로 4가지 Case를 설정하였다(Table 2).

* CL : Clear glass
A : Air
LE : Glass with Low-E coating

블라인드의 경우 변수로 설정이 된 것은 슬랫 각도로서 ① 블라인드가 완전히 개방된 상태(0도), ② 블라인드가 완전히 닫힌 상태(90도) 그리고 ③슬랫이 45도인 경우 세가지로 구분하였다(Table 3).

Operation Type 1	Operation Type 2	Operation Type 3
Fully Open (0°)	Partially Open (45°)	Closed (90°)
● Horizontal venetian blind ● Material: 30101 Slat Metal A ● Effective Openness Fraction: 0.05

그리고 이 세 가지 경우에 따른 창호의 열관류율 및 태양열 취득계수를 비교하고자 하였다. 여기에 블라인드가 설치되지 않은 경우와 블라인드가 45도 개방된 상태에서 환기용 벤트가 없는 경우를 가정하여 총 5가지의 조건을 최종적으로 설정하였다.

슬림형 이중외피 창호시스템는 내창에 미서기형의 창이 배치되어있어 창호 내부 전면창과 후면창 사이의 간격이 좌우가 다르게 되어있다. 따라서 창호의 좌우가 서로 다른 단면을 구성하게 되어 수평방향의 4개 프레임과 수직 방향의 3개 프레임에 대해 각각 오른쪽과 왼쪽의 단면이 별도로 형성되어야 하므로 분석대상 창호 하나에 대하여 총 14개의 창호 단면을 모델링 하였다(Fig. 4, Table 4). 다만 후면 미서기창 접합부의 경우 각각의 단면에 포함하는 것으로 하였다. 전열해석 모델에 적용된 창호 구성부재의 물성치는 Table 5와 같다.

Fig 4. 
Composition of Frame parts of Windows

V_Head_L	V_MeetingRail 1_L	V_MeetingRail 2_L	V_Sill_L	V_Head_R	V_MeetingRail 1_R	V_MeetingRail 2_R
V_Sill_R	H_Middle_Jamb_L	H_Middle_Jamb_R	H_Middle_MeetingRail	H_bottom_Jamb_L	H_bottom_Jamb_R	H_bottom_MeetingRail

분석을 위한 환경조건의 설정에 있어서, 국내에서 창의 열성능을 평가하는데 사용하고 있는 대표적인 시험방법인 KS F 2278 ‘창 및 문의 단열성능 측정 방법’에 의거하여 Table 6와 같이 실내외 경계조건을 설정하였다[16].

Indoor	Outdoor
Temperature: 20.0	Temperature: 0.0
Surface Heat Transfer Rate: 9.09	Surface Heat Transfer Rate: 20.0